Физико-химические характеристики аэрозолей приводного слоя атмосферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат физико-математических наук Чичаева, Марина Александровна

• Чичаева, Марина Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Чичаева, Марина Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Аэрозоли тропосферы. Классификации аэрозолей.9

1.2. Дискретный состав аэрозолей тропосферы.13

1.3. Самоочищение атмосферы от аэрозольных частиц. Эволюция аэрозольных частиц.17

1.4. Химический состав аэрозольного вещества тропосферы.21

1.5. Морской аэрозоль.23

1.6. Свойства поверхностного микрослоя моря.27

1.7. Механизмы генерации морского аэрозоля.31

1.8. Геохимия морского аэрозоля, проблемы его токсичности.35

1.9. Современные подходы к исследованиям тропосферных аэрозолей.37

ГЛАВА II МЕТОДЫ И РАЙОНЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Метод пробоотбора аэрозолей.45

2.2. Методы пробоотбора поверхностного микрослоя моря.56

2.3. Метод различения морских аэрозолей и аэрозолей континентального происхождения.57

2.4. Молекулярно-биологические методы детекции гетеротрофного бактериопланктона и нуклеопротеидных частиц в образцах поверхностного микрослоя моря, аэрозолей.61

2.5. Метод пробоподготовки аэрозольных фильтров для анализа загрязняющих веществ.64

2:6гМетодгопредслсиия суммарного-содержания-элементов в аэрозольных фильтрах.65

2.7. Методы обработки массивов данных.

2.8.Районы работ.67

ГЛАВА III РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Дисперсные характеристики морского аэрозоля. 80

3.2. Типы взаимных соответствий между концентрациями тяжелых металлов и дисперсностью морского аэрозоля. 86

3.3. Описание найденных взаимных соответствий между концентрацией элементов в составе морского аэрозоля и размерами частиц. 93

3.4. Географические закономерности изменения концентрации тяжелых металлов в составе морского аэрозоля. 106

3.5. Наноаэрозоли и биотоксины морских аэрозолей. 116

3.6. Определение интервалов размеров природных наночастиц.

3.7. Применение полученных научных результатов в системе контроля качества воздуха.

3.8. Сравнение полученных данных о концентрации тяжелых металлов в составе морского аэрозоля с предельно допустимыми концентрациями загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. 131

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-химические характеристики аэрозолей приводного слоя атмосферы»

Аэрозольное вещество в значительных количествах присутствует в приземной и приводной атмосфере и непосредственно связано и воздействует на большое количество процессов, протекающих в ней. В том числе, считается признанным, что аэрозольное вещество влияет непосредственно на качество жизни и здоровье человека, поскольку он неразрывно и напрямую связан с биосферой посредством дыхания.

Классическая аэрозольная наука изучает либо физические свойства дисперсных систем, либо их химический состав. Исследования, посвященные изучению аэрозолей, как правило, нацелены на определения их источника происхождения или массопереноса аэрозолей. В данной работе изучается морской аэрозоль, рассматривающийся в качестве отдельного типа аэрозолей.

Исследование дисперсности морского аэрозоля в субмикронном и нанометровом диапазонах размерностей позволяет наиболее полно характеризовать объект исследования. Изучение его химического состава, содержания в нем биологической составляющей, привязанных к одной и той же географической области помогают прояснить процессы переноса вещества на границе морская поверхность — приводная атмосфера. Синхронность производимых изысканий помогают выявить взаимные соответствия между изучаемыми параметрами морского аэрозоля. Подобные исследования дают возможность оценить порядок величины массопереноса наночастиц в приводный слой атмосферы. Представленный в работе комплексный подход к изучению морского аэрозоля - один из новых способов изучения и характеристики аэродисперсной среды морей и океанов.

Актуальность проблемы.

Аэрозольные частицы всегда присутствуют в приземном и приводном слое атмосферы [105, 117, 187]. Аэрозоли присутствуют и внутри помещений [156] и в самых высоких слоях тропосферы [107; 213]. В той или иной географической области могут существовать частицы самого различного состава и генезиса, но в неодинаковых пропорциях. Тема взвешенных частиц в атмосфере разнообразна и глобальна.

В настоящее время становится ясно, что взвешенные частицы в воздушной толще имеют самое прямое влияние не только на местные процессы, но и на такие процессы как формирование облачности, водность облаков, обильность осадков.

Интерес отечественных и зарубежных исследователей к составу и свойствам аэрозольного вещества, объясняется также и возможной токсичностью аэрозолей [40,44]. В настоящее время учреждено множество программ по контролю качества воздуха в приморских городах.

Характеристики аэрозолей, такие как размеры, химический состав, общее количество частиц на единицу объема, в настоящее время являются показателями качества среды проживания, труда и отдыха населения. Об этом свидетельствуют как нормы ВОЗ, таки существующие Государственные стандарты и гигиенические нормы [11,12,215].

Целью работы является определение интенсивности и механизмов массопереноса по пути морская поверхность — приводный слой атмосферы.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить взаимно — однозначные соответствия между физическими и геохимическими характеристиками аэрозоля (общее содержание А1, Сг, Мп, №, Ре, Со, Zn, Си, С<3, РЬ, Ай), генерируемого водной поверхностью.

2. Описать макро- и мезомасштабные закономерности в распределении содержания тяжелых металлов в морских аэрозолях приводного слоя атмосферы.

3. В судовых условиях выявить перенос биогенных частиц - потенциальных ядер конденсации - в открытом океане и зонах с ограниченной турбулентной диффузией и оценить его интенсивность.

4. Выявить уровни концентрации тяжелых металлов в составе аэрозолей морского происхождения и сопоставить их с предельно допустимыми концентрациями для воздуха населенных мест

5. Создать прототип системы контроля качества воздуха прибрежных городов и курортов.

Научная новизна.

Впервые использован метод параллельного контроля химических, физических и биологических параметров морского типа аэрозоля, привязанного к одному географическому объекту и отобранного с помощью оригинальных методик, разработанных в ЛПГАХ ГОИН.

Впервые показано, что существуют взаимно - однозначные соответствия между содержанием в морском аэрозоле тяжелых металлов и физическими характеристиками морского аэрозоля.

Впервые установлены наиболее явные, строгие взаимозависимости для некоторых тяжелых металлов в береговых зонах морей европейской части РФ.

Дана оценка количественного содержания тяжелых металлов в морских аэрозолях, проведено сравнение их содержания изучаемых элементов в сравнении с предельно допустимыми концентрациями для воздуха населенных мест.

Впервые описан и оценен массоперенос наноаэрозолей, содержащих биологическое вещество, по пути поверхностный микрослой океана — приводный слой атмосферы.

При помощи созданного в ЛПГАХ ГОИН, совместно с ИКХХВ им. A.B. Думанского, Украина прибора, в работе предложен прототип системы контроля качества воздуха морских городов и рекреационных зон.

Научно-практическая значимость работы:

Результаты исследования использованы для выполнения государственного контракта № 154-6/337 от 24.10.08 с Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии «Создание метрологического комплекса и нормативно-методической базы для измерения параметров наночастиц в природных и технологических средах» (шифр 2008-3-3.1-048).

Полученные в работе картографические материалы европейским морям России, Северному Ледовитому и Атлантическому океанам являются составной частью «Единой системы информации о Мировом океане» (ЕСИМО подпрограммы ФЦП «Мировой Океан»).

Результаты работы использованы для Государственного контракта на выполнение в 2005-2006 годах работ и проектов по заказу Федерального агентства по науке и инновациям в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» (тема "Разработка технологий многоуровневого регионально-адаптированного экологического и геодинамического мониторинга морей Российской Федерации в первую очередь районов шельфа и континентального склона").

Методика определения микронных и субмикронных частиц в аэродисперсной среде и водных растворах внедрена в Федеральном государственном учреждении «Государственный океанографический институт имени H.H. Зубова» при разработке эталонных мер наночастиц природных вод по Государственному контракту № 154-6/337 (акт внедрения № 5 от 10.06.10).

Результаты исследования внедрены в учебный процесс Московского физико-технического института 2010 и используются на кафедре термогидромеханики океана факультета аэрокосмических исследований.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Существуют взаимно - однозначные соответствия между концентрациями тяжелых металлов AI и As в составе морского аэрозоля и его физическими параметрами. Исследована

2. Показаны сходства и различия в содержании рассматриваемых элементов в составе морского аэрозоля, выявлены географические тенденции к росту концентрации элементов при движении с севера на юг.

3. Обнаружены повышенные концентрации тяжелых металлов Al и As в морских аэрозолях некоторых из исследованных морей. Проведено сравнения этих концентраций с ПДК тяжелых металлов для воздуха населенных мест, показано превышение этих значений.

4. Установлено наличие вклада биологической составляющей в массопереносе наноаэрозолей в воздух прибрежной зоны, проведена оценка интенсивности переноса.

5. Оценены приблизительные интервалы размеров природных наночастиц морских аэрозолей за счет комбинирования различных методов светорассеяния и химического анализа Показана возможность осуществления мониторинга качества воздуха в приморских городах на основе материалов данной диссертационной работы.

Апробация работы:

Основные результаты исследования доложены на I Международной выставке морских инноваций International naval and maritime innovations exhibition «Sea Future» (г. JIa Специя, Италия, 2009), на IV Международном симпозиуме по микроэлементам и минеральным веществам FESTEM (г. Санкт-Петербург, 2010), на совещаниях в HAH Украины у академика-секретаря отделения химии Гончарука В.В., на семинарах Государственного океанографического института, годовых и полугодовых отчетах МФТИ по программам Рособразования «Научно-педагогические кадры инновационной России», совещаниях во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ Ростехрегулирования).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа изложена на 175 страницах и состоит из введения, четырёх глав, заключения, выводов и приложения. Библиографический указатель включает 216 литературных источников, из которых 116 на иностранных языках. Работа содержит 12 таблиц, 30 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Чичаева, Марина Александровна

выводы

1. Впервые показано, что существует взаимно - однозначное соответствие между содержанием тяжелых металлов (Сг, Мп, N1, Бе, Со, 7п, Си, Сё, РЬ) в составе морского аэрозоля и размерами аэрозольных частиц.

2. Описана макро- и мезомасштабные закономерности в распределении содержания тяжелых металлов в морских аэрозолях приводного слоя атмосферы.

3. Обнаружено, что перенос биогенных частиц — потенциальных ядер конденсации — в открытом океане и зонах с ограниченной турбулентной диффузией по пути «поверхностный микрослой — приводный слой атмосферы» позволяет достигать

1С концентрации субмикронных частиц не менее 10 м" .

4. Выявлено, что за счет ассоциирования таких тяжелых металлов как N1, Сё, Сг Ь РЬ с частицами группы РМ2,5 и РМ5,5, аэрозоли морского происхождения могут загрязнять воздух прибрежных зоны выше ПДК для воздуха населенных мест.

5. Создан прототип системы контроля качества воздуха прибрежных городов и курортов на основе непрерывного контроля аэродисперсных параметров приводного слоя атмосферы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе проведен анализ размерных спектров морского аэрозоля, установлены уровни концентрации тяжелых металлов в составе морского аэрозоля. Выявлены и описаны уравнения зависимости между концентрациями тяжелых металлов в составе морского аэрозоля, получены коэффициенты корреляций для установленных соотношений. Приведены взаимные соответствия разных типов для акваторий морей Западной Арктики, Черного моря и Атлантического океана. Изучены уровни концентрации тяжелых металлов в составе морского аэрозоля морей европейского побережья России, высокоширотных районов Северного Ледовитого океана, южной части Атлантического океана. Впервые показано, что для некоторых акваторий, концентрации тяжелых металлов в составе морского аэрозоля могут превышать значения ПДК, и нести угрозу здоровью прибрежного населения. Установлено наличие биологического вещества в составе морского аэрозоля. Проведена оценка присутствия биологических наночастиц в приводном слое атмосферы на основе методов пептидного анализа. Приведены химические формы биологических веществ в составе морского аэрозоля — пептиды, разнообразные белковые комплексы. Предложены интервалы алюмосиликатных, биологических, морских, углеводородных наночастиц на основе методов ЬАЬЬЗ и методов химического анализа. На основе выявленных взаимно - однозначных соответствий между концентрациями тяжелых металлов в составе морского аэрозоля и его дисперсностью, предложена система контроля качества воздуха прибрежных городов и курортов. Подобная система была запущена в тестовом режиме в г. Санкт-Петербург. Задачи, поставленные в работе - выполнены в полном объеме.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Чичаева, Марина Александровна, 2010 год

1. Байдарин С.С., Косарев А.Н. Каспийское море. Гидрология и гидрохимия. М. -Наука, 1986.-c.256.

2. Башкин В. Н., Касимов Н. С. Биогеохимия. М. Научный мир. - 2004. - 647 с.

3. Белякова Т.М., Дианова Т.М. Техногенная миграция тяжелых металлов в городских ландшафтах. // Геохимия биосферы: Доклады международной научной конференции. Смоленск. — Ойкумена. — 2006. - 400с.

4. Бримблекумб П. Состав и химия атмосферы. М. — Мир. 1988. - 351 с.

5. Бугаев С.Н., Жмур В.Б., Лапшин В.Б., Палей A.A., Сыроешкин A.B. Способ мониторинга загрязнения атмосферного воздуха и система для его реализации. Патент РФ № 2248595 по заявке № 20003121348. Бюл. пат. тов. зн. 2005. № 8. 1-6 с.

6. Будыко. М.И. Непреднамеренные воздействия на климат. Л. - Гидрометиздат. -1974.-260 с.

7. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Поваренных A.C. Краткий справочник по геохимии. М. Наука. — 1977. - 184с.

8. Всемирная организация здравоохранения. Европейское региональное бюро, Копенгаген. Мониторинг качества атмосферного воздуха для оценки воздействия на здоровье человека. Региональные публикации ВОЗ. Европейская серия, №8, Копенгаген, Дания, 2001, 239 с.

9. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338-03. «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест». Утвержден постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 21 мая N 115, 2003 г.

10. Гинзбург А.И. ,Федоров К.Н. Приповерхностный слой океана. JT. Гидрометеоиздат. — 1988. 303 с.

11. Гончарук В.В., Смирнов А.Н., Сыроешкин А.В., Плетенев С.С., Самсони-Тодоров А.О., Лапшин В.Б., Маляренко В.В. Способ определения структурного состояния воды// Патент России № 2346263. Опубл. 10.02.2009. Бюл.№4. 18 с.

12. Гордеев В.В. Речной сток в океан и черты его геохимии. М. —Наука. 1983. - 106 с.

13. Государственный страндарт 12.2.4.05-83 (СТ СЭВ 3846-82). Охрана природы. Атмосфера. Гравиметрический метод определения взвешенных частиц пыли. Государственный комитет по стандартам. Москва. - 1983г.

14. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. Л. - Химия. - 1972. - 428 с.

15. Демина Л.Л. Формы миграции тяжелых металлов в океане (на ранних стадиях осадконакопления). М. Наука. - 1982. - 272с.

16. Демина Л.Л., Фомина Л.С. О формах нахождения железа, марганца, меди, цинка в поверхностной взвеси Тихого океана. // Геохимия. 1978. № 11. - С.1710-1726.

17. Дёрффель К., Статистика в аналитической химии. М. Мир. - 1994.-267 с.132

18. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Мурманской области в 2008 году. Мурманск: Кн.изд-во, 2009 — 152с.

19. Елпатьевский П.В. Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных геосистемах. М. Наука. — 1993. - 266с.

20. Емельянов Е.М. Формирование химического состава взвешенного вещества Атлантического океана (Ре, Мп, Т1, А1). // Геохимия. 1977. №4. - С. 565-577.

21. Зацепа С.Н., Лапшин В.Б., Орадовский С.Г., Симонов А.И. Устройство для отбора проб воды из поверхностного микрослоя. Авторское свидетельство №1375974 от 3 декабря 1985 г.

22. Зуев В.Е., Зуев В.В. Современные проблемы атмосферной оптики. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. СПБ. — Гидрометиздат. — 1992. - Т8. - 321 с.

23. Ивлев Л. С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. Л. Изд-во Ленингр. ун-та. - 1982. - 368 с.

24. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. — СПб. -НИИХ СПбГУ. 1999. — 194с.

25. Ковальский В.В. Геохимическая экология. М.- Наука. 1974. - 274 с.

26. Кондратьев К. Я., Москаленко Н. И., Поздняков Д. В. Атмосферный аэрозоль. Л. — Гидрометеоиздат. 1983. - 224с.

27. Кондратьев К.Я. Аэрозоль и климат: некоторые результаты и перспективы дистанционного зондирования. Многофакторность изменений климата и разнообразие свойств аэрозолей // Экологическая химия. 1998. - Т. 7. - № 2. - С. 7385.

28. Кондратьев К.Я. Аэрозоль и климат: некоторые результаты и перспективы дистанционного зондирования. Тропосферный аэрозоль. // Экологическая химия. -1998. Т. 7. - № 3. - С. 145-163.

29. Корж В.Д. Геохимия элементного состава гидросферы. М. Наука. - 1991. - 243 с.

30. Корж В.Д. Закономерность фракционирования химических элементов в процессе их выноса из океана в атмосферу.// Докл. АНСССР. 1987. - Т. 292. - № 4. -С. 822-827.

31. Корж В.Д. Исследование содержания микроэлементов в морских аэрозолях и поверхностном микрослое морской воды. // Докл. АН СССР 1986. - Т.286. - №6, С.12-15.

32. Краус Е.Б. Взаимодействие атмосферы и океана. JI. Гидрометеоиздат. - 1976. -295с.

33. Лапшин В.Б., Рагулин И.Г. Капиллярно-конвективная неустойчивость слоя воды с экспоненциальным профилем температуры. // Изв. РАН. ФАО. .1992. - Т. 28. - № 10-11.

34. Лапшин В.Б., Сидоренко A.B. Взаимодействие гравитационно-капиллярных структур в поверхностном слое океана. // Электронный журнал «Исследовано в России». 2001. - № 135. - С. 1561 - 1570. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/135.pdf

35. Лебедев В.Л., Айзатуллин Т.А., Хайлов K.M. Океан как динамическая система, Л. -Гидрометеоиздат. 1974. -203с.

36. Левитан М.А., Лаврушин Ю.А., Штайн Р. Очерки истории седиментации в Северном Ледовитом океане и морях Субарктики в течение последних 130 тыс. лет., М. ГЕОС. - 2007. - 404 с.

37. Леонтьев O.K. Природа и ресурсы мирового океана. Атлантический океан. М. — Мысль, 1977,- 296 с.

38. Лесников Е.В., Чичаева М.А., Лапшин В.Б., Гребенникова Т.В., Сыроешкин A.B. Биоаэрозоль Атлантического океана и способ мониторинга аэрозоля в нанодиапазоне размерностей// Естественные и технические науки 2010. — №5 . — С 1-12.

39. Лесшков G.B., Гончарук В.В., Чютюнин В.Ф., Дроздович C.B., Плетенев С.С., Лапнпн В.Б., См1рнов А.Н., Самсош-Тодоров О.О., Сироешюн A.B. Пристрш для визначення фальсифшату рщких продукпв// Патента Украины № 85406. Опубл. 26.01.2009. Бюл.№2. 7 с.

40. Лукашин В.Н., Шевченко В.П., Лисицын А.П., Серова В.В., Иванов Г.В. Распределение, вещественный и химический состав аэрозолей над западной частью Тихого океана. //Океанология. 1996. - Т.36. - N 2. - С. 288-298.

41. Международное агентство по атомной энергии. IAEA-405. Sediment. Report. -IAEA/AL/127. -2000. ttp://www.iaea.org.

42. Методика выполнения измерений «Малоугловой измеритель дисперсности лазерный ИДЛ 1», № 52.1440 - 2009, г. Обнинск, 2009, 35 с.

43. Мильнер Г.Б Петрография осадочных пород. М. — Недра. 1986. — Т.2. - 568с.

44. Михайлов В.И. Поверхностный микрослой морового океана. СПБ. Гидрометиздат. - 1992.-276с.

45. Монин А. С., Красицкий В. П. Явления на поверхности океана. — Л. — Гидрометеоиздат. 1985. — 256 с.

46. Монин А.С , Лисицин А.П. Биогеохимия Океана. М. - Наука. - 1983. - 367с.

47. Мур.Дж.В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М. Мир, - 1987. -286 с.

48. Патеев М.Р., Матвеева И.С., Затров В.А., Щербаков П.Г., Чичаева М.А., Лапшин В. Б., Сыроешкин A.B. Мониторинг загрязнения тяжелыми металлами Азовского моря// Естественные и технические науки. 2008. - №4. — С. 51-53.60.